專利名稱：一種新型絕緣硅復合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低成本、高性能、易加工的新型絕緣娃復合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
單晶硅材料是現(xiàn)代微電子制造業(yè)的基礎(chǔ)，目前絕大部分的集成電路芯片和半導體器件都是在硅片上加工完成。然而隨著IC制造技術(shù)向45納米以下線寬發(fā)展，現(xiàn)有的體硅材料及其工藝越來越接近其物理極限，尋找新型襯底材料已成為當務之急。
SOI (Silicon On Insulater)絕緣娃材料因其獨特優(yōu)良的性能近期得到了廣泛的重視和應用。通過絕緣埋層，SOI絕緣硅材料實現(xiàn)了片上器件與襯底的全介質(zhì)隔離，從而減小了寄生電容、降低了功耗、提高了運算速度、消除了閂鎖效應；又由于與現(xiàn)有硅半導體工藝兼容，使其被公認為“21世紀的硅集成電路技術(shù)”，發(fā)展前景不可限量。
目前制備SOI絕緣硅材料的方法主要有兩大類型離子注入法和鍵合法，前者通過離子注入在硅片表面下一定距離內(nèi)形成氧化硅埋層，后者通過硅片間水或其它物質(zhì)在高溫下形成片間氧化硅層并使兩片硅片合二為一。
上述兩大類型制備工藝均具有嚴重的缺陷，離子注入會使單晶硅晶格結(jié)構(gòu)遭受嚴重破壞，能量越高損傷越大；注入的離子雖經(jīng)退火后可以在表面下一定空間內(nèi)形成氧化硅層，但這只是SiO2和SiOx的混合體，距離完美的SiO2結(jié)構(gòu)有相當?shù)木嚯x，此外氧化層在硅片內(nèi)的深度、厚度均難以控制；而鍵合法片間形成的主要也是SiO2-Si (OH) X混合物，直接影響鍵和強度和絕緣性能。
除了上述工藝外，目前制備SOI絕緣硅材料的其它工藝如陽極多孔硅氧化法、絕緣層上多晶硅再結(jié)晶法、固相橫向外延法等或上述某些方法的混合工藝，均具有這樣或那樣的先天性缺陷；并且所有上述工藝的一大共同缺點是，所使用的設(shè)備都異常昂貴復雜，導致生產(chǎn)成本高企，這些不足嚴重制約了 SOI絕緣硅材料的應用和發(fā)展。發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提出了一種低成本、高性能、易加工的新型絕緣硅復合材料及其制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實現(xiàn)的一種新型絕緣硅復合材料，包含中間絕緣層；所述中間絕緣層的上表面和下表面分別設(shè)置有單晶硅片；所述中間絕緣層，包含二氧化硅基多元無機復合材料層；所述二氧化硅基多元無機復合材料層的上表面設(shè)置有第一二氧化硅膜層；所述二氧化硅基多元無機復合材料層的下表面設(shè)置有第二二氧化硅膜層。
優(yōu)選的，所述二氧化硅基多元無機復合材料層由SiO2基多元無機復合材料制成， 所述二氧化硅基多元無機復合材料的化學式為Si02-Al203-Pb0。
優(yōu)選的，所述新型絕緣硅復合材料的層間結(jié)構(gòu)為S1-SiO2-(SiO2-Al2O3-PbO)-SiO2-Si。
所述新型絕緣硅復 合材料的制備方法包含以下步驟①、先在單晶硅片的一個表面上熱生長出一層二氧化硅膜層；②、將二氧化硅基多元無機復合材料用有機揮發(fā)性溶劑溶解分散后，均勻涂鍍于二氧化硅膜層的外表面，形成平整的二氧化硅基多元無機復合材料層；③、將兩份②中最終獲得的本成品相對置加在一起，使兩者的~■氧化娃基多兀無機復合材料層緊密貼合在一起，然后均勻加壓；④、將③中最終獲得的半成品送入超凈真空爐內(nèi)，然后緩慢升溫，至熔凝溫度后恒溫， 使③中獲得的兩個二氧化硅基多元無機復合材料層充分熔合并排出氣泡，而后再緩慢降溫固化，最后經(jīng)退火程序處理。
優(yōu)選的，所述單晶硅片通過半導體直拉CZ工藝或區(qū)融FZ工藝制備而成。
優(yōu)選的，所述二氧化硅膜層通過熱氧化生長在單晶硅片的表面上，當所述二氧化硅膜層的厚度小于300納米時，采用高溫干氧氧化工藝，以保證最佳成膜質(zhì)量。
優(yōu)選的，所述二氧化硅膜層通過熱氧化生長在單晶硅片的表面上，當所述二氧化硅膜層的厚度超過300納米時，采用高溫干氧-濕氧-干氧混合工藝，以可獲取成膜效率和成膜質(zhì)量的最優(yōu)折衷；優(yōu)選的，所述二氧化硅膜層也可采用CVD/PVD或濺射成膜工藝制備而成。
優(yōu)選的，所述二氧化硅基多元無機復合材料通過高溫燒結(jié)-粉碎、溶膠凝膠等方法制備而成，其熔凝溫度為75(Tl200°C。
優(yōu)選的，④中緩慢升溫過程中保持不斷抽取真空；至熔凝溫度后恒溫，使③中獲得的兩個二氧化硅基多元無機復合材料層充分熔合并排出氣泡。
優(yōu)選的，將④中獲得的最終結(jié)果通過常規(guī)的機械磨削或化學腐蝕工藝，對上層的單晶硅片進行減薄，從而調(diào)節(jié)所述中間絕緣層的各組分的深度。
由于上述技術(shù)方案的運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點本發(fā)明的新型絕緣硅復合材料能夠保持有完整的單晶硅晶格結(jié)構(gòu)，不需采用復雜昂貴設(shè)備，整體制備工藝簡單、易行、低成本；所述新型絕緣硅復合材料及其制備方法能調(diào)節(jié)所述中間絕緣層的各組分的厚度和深度分布，不需采用復雜昂貴設(shè)備，整體制備工藝簡單、易行，且制成的產(chǎn)品的電學性能優(yōu)良。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步說明附圖1為本發(fā)明所述的新型絕緣硅復合材料的示意圖；附圖2為本發(fā)明所述的新型絕緣硅復合材料的制備方法的工藝流程示意圖。
具體實施方式
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下面結(jié)合附圖來說明本發(fā)明。
如附圖1所示為本發(fā)明所述的新型絕緣硅復合材料，包含中間絕緣層；所述中間絕緣層的上表面和下表面分別設(shè)置有單晶硅片；所述中間絕緣層，包含二氧化硅基多元無機復合材料層；所述二氧化娃基多兀無機復合材料層的上表面設(shè)置有第一二氧化娃膜層； 所述二氧化硅基多元無機復合材料層的下表面設(shè)置有第二二氧化硅膜層；所述二氧化硅基多元無機復合材料層由二氧化硅基多元無機復合材料制成，所述二氧化硅基多元無機復合材料的化學式為SiO2-Al2O3-PbO ;所述新型絕緣硅復合材料的層間結(jié)構(gòu)為S1-SiO2-(SiC)2-A I2O3-PbO) -SiO2-Si0
如附圖2所示為本發(fā)明所述的所述新型絕緣硅復合材料的制備方法的工藝流程示意圖所述新型絕緣硅復合材料的制備方法，包含以下步驟①、先在單晶硅片的一個表面上熱生長出一層二氧化硅膜層；所述單晶硅片通過半導體直拉CZ工藝或區(qū)融FZ工藝制備而成；當所述二氧化硅膜層的厚度小于300納米時，采用高溫干氧氧化工藝，以保證最佳成膜質(zhì)量；當所述二氧化硅膜層的厚度超過300納米時，采用高溫干氧-濕氧-干氧混合工藝，以可獲取成膜效率和成膜質(zhì)量的最優(yōu)折衷；當然也可采用CVD/PVD或濺射成膜工藝；②、將二氧化硅基多元無機復合材料用有機揮發(fā)性溶劑溶解分散后，均勻涂鍍于二氧化硅膜層的外表面，形成平整的二氧化硅基多元無機復合材料層；所述二氧化硅基多元無機復合材料通過高溫燒結(jié)-粉碎或溶膠凝膠法制備而成，通過調(diào)整其組分比例可在一定范圍內(nèi)直接調(diào)節(jié)其熔凝溫度為75(Tl200°C ；③、將兩份②中最終獲得的本成品相對置加在一起，使兩者的~■氧化娃基多兀無機復合材料層緊密貼合在一起，然后均勻加壓；④、將③中最終獲得的半成品送入超凈真空爐內(nèi)，然后緩慢升溫，同時保持不斷抽取真空，至熔凝溫度后恒溫，使③中獲得的兩個二氧化硅基多元無機復合材料層充分熔合并排出氣泡，而后再緩慢降溫固化，最后經(jīng)退火程序處理；⑤、將④中獲得的最終結(jié)果通過常規(guī)的機械磨削或化學腐蝕工藝，對上層的單晶硅片進行減薄，從而調(diào)節(jié)中間絕緣層的深度；當然也可以通過控制所述二氧化硅膜層和二氧化硅基多元無機復合材料層的厚度，調(diào)節(jié)所述中間絕緣層的各組分的厚度分布，從而滿足不同性能和成本需求。
所述新型絕緣硅復合材料的結(jié)構(gòu)為上單晶硅片+ 二氧化硅膜層+ 二氧化硅基多元無機復合材料層+ 二氧化硅膜層+下單晶硅片；所述上、下單晶硅片均由常規(guī)直拉CZ或區(qū)融FZ工藝制成，可以保證最優(yōu)單晶晶格結(jié)構(gòu)；所述二氧化硅膜層通過熱生長等常規(guī)半導體工藝制備，可以獲取最佳成膜質(zhì)量并且厚度可控；所述二氧化硅基多元無機復合材料層與二氧化硅膜層一道共同構(gòu)筑高阻絕緣層的作用，其制備方法包括高溫燒結(jié)-粉碎法、溶膠凝膠法等均簡單易行和低成本化；所述新型絕緣硅復合材料的制備方法，主要通過真空超凈爐完成，非離子注入之類昂貴設(shè)備，由于采用了上述諸多工藝和材料的創(chuàng)新組合，使得本發(fā)明所述新型絕緣硅復合材料具有如下優(yōu)點1、成品后能夠保持有完整的單晶硅晶格結(jié)構(gòu)，2、所述中間絕緣層的組分的厚度和深度分布可調(diào)，電學性能優(yōu)良，3、不采用復雜昂貴設(shè)備，整體制備工藝簡單、易行，4、低成本。
上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實施，并不能以此限 制本發(fā)明的保護范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種新型絕緣硅復合材料，包含中間絕緣層；所述中間絕緣層的上表面和下表面分別設(shè)置有單晶硅片；其特征在于所述中間絕緣層，包含二氧化硅基多元無機復合材料層；所述二氧化硅基多元無機復合材料層的上表面設(shè)置有第一二氧化硅膜層；所述二氧化硅基多元無機復合材料層的下表面設(shè)置有第二二氧化硅膜層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型絕緣硅復合材料，其特征在于所述二氧化硅基多元無機復合材料層由二氧化硅基多元無機復合材料制成，所述二氧化硅基多元無機復合材料的化學式為 Si02-Al203-Pb0。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型絕緣硅復合材料，其特征在于所述新型絕緣硅復合材料的層間結(jié)構(gòu)為 S1-Si02-(Si02-A1203-Pb0)-Si02-Si。
4.上述權(quán)利要求之一所述新型絕緣硅復合材料的制備方法包含以下步驟①、先在單晶硅片的一個表面上熱生長出一層二氧化硅膜層；②、將二氧化硅基多元無機復合材料用有機揮發(fā)性溶劑溶解分散后，均勻涂鍍于二氧化硅膜層的外表面，形成平整的二氧化硅基多元無機復合材料層；③、將兩份②中最終獲得的本成品相對置加在一起，使兩者的~■氧化娃基多兀無機復合材料層緊密貼合在一起，然后均勻加壓；④、將③中最終獲得的半成品送入超凈真空爐內(nèi)，然后緩慢升溫，至熔凝溫度后恒溫，使③中獲得的兩個二氧化硅基多元無機復合材料層充分熔合并排出氣泡，而后再緩慢降溫固化，最后經(jīng)退火程序處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的新型絕緣硅復合材料的制備方法，其特征在于所述單晶硅片通過半導體直拉CZ工藝或區(qū)融FZ工藝制備而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的新型絕緣硅復合材料的制備方法，其特征在于所述二氧化硅膜層通過熱氧化生長在單晶硅片的表面上，當所述二氧化硅膜層的厚度小于300納米時，采用高溫干氧氧化工藝，以保證最佳成膜質(zhì)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的新型絕緣硅復合材料的制備方法，其特征在于所述二氧化硅膜層通過熱氧化生長在單晶硅片的表面上，當所述二氧化硅膜層的厚度超過300納米時，采用高溫干氧-濕氧-干氧混合工藝，以可獲取成膜效率和成膜質(zhì)量的最優(yōu)折衷。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的新型絕緣硅復合材料的制備方法，其特征在于所述二氧化硅膜層也可采用CVD/PVD或濺射成膜工藝制備而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的新型絕緣硅復合材料的制備方法，其特征在于所述二氧化硅基多元無機復合材料通過高溫燒結(jié)-粉碎或溶膠凝膠法制備而成，其熔凝溫度為750 1200°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的新型絕緣硅復合材料的制備方法，其特征在于④中緩慢升溫過程中保持不斷抽取真空；至熔凝溫度后恒溫，使③中獲得的兩個二氧化硅基多元無機復合材料層充分熔合并排出氣泡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型絕緣硅復合材料及其制備方法，所述新型絕緣硅復合材料，包含中間絕緣層；所述中間絕緣層的上表面和下表面分別設(shè)置有單晶硅片；所述中間絕緣層，包含二氧化硅基多元無機復合材料層；所述二氧化硅基多元無機復合材料層的上表面設(shè)置有第一二氧化硅膜層；所述二氧化硅基多元無機復合材料層的下表面設(shè)置有第二二氧化硅膜層；本發(fā)明的新型絕緣硅復合材料能夠保持有完整的單晶硅晶格結(jié)構(gòu)，不需采用復雜昂貴設(shè)備，整體制備工藝簡單、易行、低成本；所述新型絕緣硅復合材料及其制備方法能調(diào)節(jié)所述中間絕緣層的各組分的厚度和深度分布，不需采用復雜昂貴設(shè)備，整體制備工藝簡單、易行，且制成的產(chǎn)品的電學性能優(yōu)良。
文檔編號H01L21/762GK103035563SQ201210591308
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月29日
發(fā)明者黃志強 申請人:黃志強